2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

Свойства генетического кода

1)Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3 нуклеотидов. Минимальное количество нуклеотидов, способное обеспечить кодирование 20 протеиногенных аминокислот –

3.(42=16 – недостаточно, 43=64 – даже избыточно).

2)Вырожденность (избыточность) – одну и ту же аминокислоту кодирует несколько триплетов. Первый и последний нуклеотиды триплета могут варьировать, средний всегда неизменен. Эту особенность генетического кода можно расценить как защиту от возможных последствий повреждений генетического кода. Если бы каждая аминокислота кодировалась только одним кодоном, то его повреждение обязательно вызвало бы нарушение структуры синтезируемого белка. Наличие нескольких вариантов триплетов уменьшает вероятность таких нарушений.

3)Наличие инициирующих кодонов (АУГ и ГУГ). Они коди-

руют включение в полипептидную цепь формилметионина у прокариот и метионина у эукариот.

4)Наличие терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА). Они указывают место завершения синтеза полипептидной цепи и не кодируют аминокислот.

5)Неперекрываемость. Нуклеотид входящий в состав одного

триплета не может входить в состав соседнего (при кодировании одного белка).

6)Однонаправленность считывания. Направление считывания информации всегда одинаково – 5’→3’.

7)Специфичность. Один триплет соответствует одной амино-

кислоте.

8)Универсальность. У всех живых организмов аминокислоты кодируются одинаковым кодом. Исключение составляют 4 триплета в митохондриальной ДНК. Это, вероятно, обусловлено малым размером генома митохондрий. Поскольку изменения не затрагивали важных белковых структур, то они закреплены в кольцевом геноме. В ядре такие изменения могли бы быть летальными.

9)Колинеарность. Соответствие последовательности аминокис-

лот в белке, последовательности кодонов в РНК.

Трансляция

1. Необходимые компоненты и их краткая характеристика

1)и-РНК.

2)полный набор т-РНК.

3)Рибосомы.

302

4)АТФ, ГТФ, ионы Mg++.

5)Ферменты аминоацил-т-РНК-синтетазы и пептидилтрансфе-

раза.

6) Ряд вспомогательных белковых факторов.

и-РНК. и-РНК прокариот и эукариот схожи. Однако есть и существенные отличия. У эукариот и-РНК имеет 5’-«кэп». Он состоит из 7- метилгуанозина и двух метилированных по рибозе нуклеотидов. За ними следуют: инициаторный кодон АУГ или ГУГ (кодируют метионин), структурные кодоны (кодируют последовательность аминокислот в белке), терминальные кодоны (УАА, УАГ, УГА – останавливают трансляцию) и полиадениловая последовательность.

Прокариотическая и-РНК не имеет 5’-«кэп» участка и полиадениловой последовательности. Инициаторным кодонам (АУГ), как правило, предшествуют специфические, шестинуклеотидные инициаторные последовательности.

У эукариот инициаторный комплекс, предшествующий сборке рибосомы, опознает именно 5’-«кэп» и следующий за ним инициаторный кодон (АУГ), а затем присоединяется к ним. Ни один другой АУГ

– кодон по ходу молекулы и-РНК не может быть местом начала синтеза белка. Поэтому у эукариот синтезируется только 1 белок на основании 1 молекулы и-РНК.

У прокариот рибосома находит специ-

фические шестинуклеотидные последова- 1. АА Ц У Ц А А Г А Ц

2.

тельности и начинает синтез белка с бли- Последовательность 1:

жайшего инициаторного АУГ кодона. По- асн-лей-лиз-асн...

Последовательность 2:

лей-лиз-тре...

303

скольку таких последовательностей может быть несколько, то происходит так называемый сдвиг рамки считывания. В результате на основе одной молекулы и-РНК прокариот может синтезироваться несколько различных белков. Значение полиадениловой последовательности достоверно не известно. Предполагают, что она обеспечивает связывание с белком информофером при переносе и-РНК в цитозоль, и, во з- можно, определяет количество молекул белка, которое может быть синтезировано на данной молекуле и-РНК.

определяют место начала считывания информации с и-РНК. Ошибка определения места считывания хотя бы на 1 нуклеотид приведет к сдвигу рамки считывания и синтезу совершенно иного белка. Именно рибосомы собирают вместе все компоненты синтеза белка и обеспечивают продукцию белковой молекулы. Несколько рибосом могут одновременно считывать информацию с и-РНК, последовательно «садясь» на нее, такие комплексы называют полирибосомами (или полисомами). Полирибосомы, локализующиеся на эндоплазматическом ретикулуме, в основном синтезируют белки мембран и экспортные белки. Цитозольные полирибосомы обеспечивают синтез белков для нужд клетки.

Рибосомы прокариот по молекулярной массе меньше чем эукариот, и поэтому, при ультрацентрифугировании имеют различные константы седиментации (константы Сведберга S – 70 и 80S соответственно). Они состоят из больших и малых субъединиц. У прокариот 50S и 30S субъединицы, а у эукариот – 60S и 40S. Несоответствие сумм констант Сведберга отдельных субъединиц и целых рибосом обусловлено условиями ультрацентрифугирования (плотность растворов, объем частиц рибосом…). Соотношение р-РНК и белков у прокариот 2:1 (65% РНК и 35% белка) а у эукариот 1:1 (50% РНК и 50% белка). р-РНК эукариот синтезируется в ядрышке в виде предшественника 45S РНК, который затем расщепляется на 5S, 5,8S и 28S р -РНК. Отдельно синтезируется 5S р-РНК. Рибосомные белки синтезируются в цитоплазме и поступают в ядрышко. Здесь образуются рибосомы. Малая субъединица состоит из 18S р-РНК и 33 белков, большая – 5S, 5,8S, 28S р-РНК и 49 белков. У прокариот малая субъединица содержит 16S р-РНК и 21 белок, а большая – 5S, 23S р-РНК и 34 белка.

2. Механизм трансляции

Процесс трансляции условно можно разделить на 5 стадий: 1. Активации аминокислот (образование аминоацил т-РНК).

304

2.Инициации синтеза полипептидной цепи.

3.Элонгации.

4.Терминации.

5.Посттрансляционной модификации.

Активация аминокислот. В синтезе белков участвуют 20 протеиногенных аминокислот. Перед использованием они должны активироваться. Для этого они объединяются с т -РНК, образуя активное макроэргическое соединение – аминоацил-тРНК. Катализирует этот процесс аминоацил-тРНК-синтетаза. Для каждой из 20 протеиногенных аминокислот существует свой специфический фермент, который способен проверять правильность присоединения аминокислоты к т- РНК. Если присоединилась неправильная аминокислота, то такая ами- ноацил-т-РНК разрушается. Редактирующая способность аминоацил-т- РНК-синтетазы достигается благодаря ее особого строения. Фермент имеет 4 центра связывания:

1.Для т-РНК.

2.Для АТФ.

3.Для аминокислоты.

4.Для воды (вода используется для гидролитического устранения неправильно присоединенных аминокислот).

Синтез аминоацил-т-РНК осуществляется в 2 этапа:

305

Инициация синтеза полипептидной цепи. Необходимые ком-

поненты:

1.и-РНК.

2.Инициирующая аминоацил-т-РНК (формилметионин-т-РНК у прокариот и метионин-т-РНК у эукариот).

3.Малая и большая субъединицы рибосом.

4.Факторы инициации IF1, IF2, IF3 5. Ионы Mg++ и ГТФ.

Стадия инициации начинается с объединения IF3 и малой субъединицы рибосом. IF3 необходима для опознавания на и-РНК инициирующих кодонов (АУГ или ГУГ). В это же время и нициирующая фор- милметионин-т-РНК связывается с IF2 и ГТФ. Оба комплекса объединяются. Образуется инициаторный комплекс. Инициаторный комплекс связывается с и-РНК с помощью фактора IF1. IF2 способствует объединению большой и малой субъединиц рибосом. Процесс протекает с затратой энергии ГТФ. После объединения обеих субъединиц высвобождаются все инициирующие факторы, ГДФ и неорганический фосфат. Описанный процесс необходим для определения точного места начала синтеза белка. Ошибка даже в 1 нуклеотид приведет к сдвигу рамки считывания и синтезу совершенно другого белка.

ГТФ

IF2

IF3 f-мет 30S

В собранной рибосоме имеются 2 участка:

1. A-участок (аминоацильный) – имеет сродство к аминоацил-т-

РНК;

2. P-участок (пептидильный) – имеет сродство к пептидил-т-РНК.

306

Стадия инициации завершается присоединением в P-участке к кодону и-РНК формилметионин-т-РНК соответствующим антикодоном. В A-участке находится следующий кодон и-РНК, и он свободен для присоединения соответствующей аминоацил-т-РНК.

Элонгация полипептидной цепи. Необходимые компоненты:

1.Полный набор аминоацил-т-РНК.

2.Фермент пептидилтрансфераза.

3.Факторы элонгации EF-T, EFg.

4.Ионы Mg++ и ГТФ.

Элонгация начинается с присоединения аминоацил-т-РНК в A- участок рибосомы к комплементарному кодону и-РНК. Присоединение происходит с затратой энергии ГТФ и при участии фактора ЕFT. В результате между кодоном и-РНК и антикодоном аминоацил-т-РНК образуются водородные связи. Когда 2 аминокислоты оказываются рядом, фермент пептидилтрансфераза образует между этими аминокислотами пептидную связь. Пептидная связь образуется за счет макроэргической связи аминоацил-т-РНК. Образовавшийся дипептид силами гидрофобного взаимодействия связан с P-участком рибосомы, но, в то же время, он связан с т-РНК в A-участке. т-РНК присоединена водородными связями к кодону и-РНК. Дипептид не имеет сродства к A- участку. При участии EFg фактора, с затратой энергии ГТФ происходит перемещение пептидил-т-РНК в P-участок. EFg обладает ГТФазной активностью, иными словами – является ГТФ-азой. В результате рибосома делает 1 шаг по и-РНК, и в A-участке появляется новый кодон и-РНК. Перемещение пептида из A-участка в P-участок называют транслокацией. К поступившему в A-участок кодону и-РНК вновь, по

307

принципу комплементарности присоединяется соответствующая ами- ноацил-т-РНК и процесс повторяется снова. Повторы происходят до тех пор, пока в A-участок не придет один из терминирующих кодонов.

Стадия терминации. Необходимые компоненты:

Особые цитоплазматические белки – факторы высвобождения

(FR1, FR2).

Указанные факторы опознают терминирующие кодоны (не кодирующие аминоацил-т-РНК, нонсенс-кодоны). FR1 – опознает УАА и УАГ, FR2 – опознает УАА и УГА и связываются с ними. При этом они изменяют активность пептидилтрансферазы. Фермент приобретает пептидилэстеразную активность и присоединяет к пептидил-т-РНК не аминокислоту, а воду. В результате полипептидная цепь отделяется от т-РНК. Рибосома диссоциирует на большую и малую субъединицы.

Фермент деформилаза (у прокариот) отщепляет формильную группу у N -концевого (инициаторного) формилметионина. Часто и у прокариот и у эукариот отщепляется N -концевой метионин от синтезированного пептида. В дальнейшем синтезированная полипептидная цепь спонтанно приобретает вторичную структуру, ферментативными путями – третичную и если белок олигомерен, то приобретает и четвертичную структуру.

Посттрансляционная модификация. На этой стадии происхо-

дит формирование белковой молекулы, пригодной для выполнения функции. Для этого может (не всегда) происходить химическая модификация белка: метилирование по аминогруппе лизина и аргинина, фосфорилирование по ОН-группе серина, окисление лизина, пролина, присоединение кофактора, осуществляться частичный протеолиз.

308

3. Регуляция биосинтеза белков

Регуляции подвержены практически все этапы синтеза белков. Метаболиты и гормоны через ряд посредников способны изменять активность транскрипции; гормоны способны влиять на посттрансляционную модификацию белков через изменение активности ферментов метилаз и др., сами вновь синтезированные белки могут активировать разрушение своих и-РНК.

В1966 году впервые были идентифицированы и выделены бел- ки-репрессоры лактозного оперона (Lac-оперон). (Структура Lacоперона была рассмотрена в предыдущей лекции). Открытие белковрепрессоров послужило толчком к изучению деятельности Lac-оперона

ипозволило Жакобу и Моно сформулировать концепцию регулируемого оперона.

Впроцессе регуляции участвуют 3 типа генов:

1)Ген оператор – связывается с белком репрессором и предотвращает транскрипцию.

2)Ген регулятор – кодирует структуру белка-репрессора и.

3)Структурные гены (кодируют β-галактозидазу – фермент, расщепляющий лактозу до глюкозы и галактозы, галактозидпермиазу – обеспечивает транспорт галактозидов из среды в клетку и тиогалак- тозил-ацетилтрансферазу).

В состав оперона входят:

1)Промотор (к нему присоединяется РНК-полимераза).

2)Ген-оператор.

3)Структурные гены.

4)Терминирующая последовательность.

Если клетки E.Coli растут на среде, содержащей лактозу, то в них синтезируется фермент β-галактозидаза. Если в среде вместо лактозы находится глюкоза, β-галактозидаза не синтезируется.

309